航空燃料烃类组分对烟点的影响研究

仇义霞，向 海，黄 俊，柳 华，肖 勇，邓 川

（中国民用航空总局第二研究所，四川成都 610207）

烟点是指在规定条件下，油品在标准灯筒中燃烧时，无烟火焰的最大高度，以毫米为单位[1]。烟点是评价航空燃料燃烧性能的主要指标之一，烟点值越高，则燃烧生成积碳倾向性小，燃烧洁净性好[2-4]。所以为了较少航空燃料燃烧生成积碳，国内外航空燃料产品标准均严格限制了烟点值，限制要求（见表1）。

表1 国内外航空燃料产品标准对烟点指标要求[5-8]Tab.1 Smoke point requirement of aviation turbine fuel standards

烟点值取决于航空燃料碳氢结构情况，有研究表明烟点与芳烃含量有一定的关系[9]。但是，很少有文献对航空燃料烟点影响情况进行深入全面研究，本实验选择传统石油基3 号喷气燃料、以动物油/植物为原料经HEFA-SPK 炼制工艺的生物航煤，以及以煤炭为原料直接液化炼制的煤直接液化航空喷气燃料为油样，探讨影响航空燃料烟点值的烃类组成情况，为国内外新型航空燃料的原油/原料选择、生产炼制工艺、添加剂选择等提供参考。

1 实验方法

1.1 样品

本实验选用样品均为符合中国GB 6537 标准的航空燃料，实验前对其进行了重新评定，结果（见表2），结果均符合MH/T 6020 要求[10]。其中3#（低芳烃）样品是经加氢裂化工艺，芳烃体积分数为2.6%的3 号喷气燃料；3#（高芳烃）样品是经加氢精制，芳烃体积分数为16.0%的3 号喷气燃料；纯生物航煤是以植物为原料经HEFA-SPK 炼制工艺，芳烃体积分数为0.3%的航空燃料；煤直接液化航空喷气燃料是以煤炭为原料直接液化炼制工艺，芳烃体积分数为0.9%的航空燃料。

表2 样品重新评定结果Tab.2 Results of the samples'recertification test

1.2 主要实验仪器

石油产品芳烃含量测定仪（荧光指示剂吸附法）（符合ASTM D1319 标准），仪器型号SETA 14060。采用纯氮气作为载气，使用符合标准要求的层析硅胶和染色硅胶，其中实验使用的层析硅胶经活化，染色硅胶批次号为3000000885。

全自动烟点测定仪（符合ASTM D1322 标准[11]），仪器型号为SP10，检出限0～50 mm。按照标准要求建立仪器标准线，结果（见表3）。仪器建立的标准线符合ASTM D1322 标准和仪器说明书要求，可保证实验结果的有效准确性。

表3 标准燃料混合物Tab.3 Reference fuel blends

碳氢组成（GC-MS）分析仪（符合ASTM D2425 标准[12]），仪器型号为Agilent 7890/5975C。气相色谱仪配备FID 检测器，质谱为四级杆质谱仪。进样系统为自动进样器，色谱柱为0.25 mm×30 m，膜厚0.25 μm 的石英毛细管色谱柱。气相色谱分析条件：载气为高纯氦气，流量1.5 mL/min，分流比为20：1；进样口温度300 ℃；柱温50 ℃，保持2 min；以40 ℃/min 升温至300 ℃，保持5 min。质谱测试条件：离子源为电子轰击离子源（EI），离子源温度220 ℃，四级杆温度150 ℃。

1.3 分析方法

采用荧光指示剂吸附法、自动烟点仪及GC-MS 对试样进行烃类组分及烟点分析。

2 结果与分析

2.1 3 号喷气燃料主要性能分析

将高芳烃和低芳烃3 号喷气燃料进行混合（见表4），并对样品进行烃类组分含量及烟点测试，测试结果（见表5）。

表4 3 号喷气燃料混合比例Tab.4 The mix ratio of No.3

表5 3 号喷气燃料烃类组分及烟点分析Tab.5 Smoke point and aromatics of No.3

从表5 分析可知，3 号喷气燃料烯烃含量1%左右，因目前国内3 号喷气燃料炼制过程中加氢很彻底，基本不含有烯烃，烯烃可以忽略不计；环烷烃和链烷烃含量均在40%～50%，变化不是很明显，对烟点影响不明显；随着芳烃含量的增加，烟点值变小，对应变化（见图1）。这是因为芳烃的H/C 原子个数比相对较低，燃烧不完全度较高，生成积碳的倾向性较大，从而降低烟点值。所以，对3 号喷气燃料来说，在生产炼制过程中可以通过加氢降低芳烃含量，从而提高烟点值，减少燃料燃烧生成积碳的倾向性。

图1 芳烃组分含量与烟点的关系Fig.1 Relation diagram of aromatic content and smoke point

2.2 含生物航煤的航空燃料主要性能分析

选用的生物航煤以植物为原料，经HEFA-SPK 炼制而成。样品掺混用的3 号喷气燃料芳烃体积分数为16%。配备样品（见表6）并对其进行烃类组成和烟点分析，分析结果（见表7）。

表6 样品掺混比例Tab.6 The mix ratio of samples

表7 含生物航煤的航空燃料烃类组分及烟点分析Tab.7 Smoke point and aromatic of bio-fuel

从表7 数据可见，含生物航煤的航空燃料中烯烃含量低于1%，可以忽略不计；当生物航煤掺混量高于70%时，芳烃含量低于4.0%，因芳烃和环烷烃含量均很低，本自动仪器无法检出无烟情况下的烟点值；饱和烃主要是链烷烃组分，环烷烃含量很低。随着芳烃增加，烟点值降低，随着饱和烃的增加，烟点增加。这是因为芳烃H/C 原子个数比相对较低，燃烧不完全度较高，生产积碳倾向性较大，所以烟点与芳烃的关系与传统石油基3 号喷气燃料变化关系一致。

2.3 含煤直接液化航空喷气燃料的航空燃料主要性能分析

选用的煤直接液化航空喷气燃料是以煤炭为原料，直接液化炼制而成，采取的原料和生产工艺路线均有别于上述两种燃料，其组分结构与上述两种燃料有差异，燃烧性能也有所差异。掺混使用的3 号喷气燃料芳烃体积分数为16%。配制样品（见表8）并对样品进行芳烃组分和烟点测试，测试结果（见表9）。

表8 样品掺混比例Tab.8 The mix ratio of samples

从表9 结果可见，含煤直接液化航空喷气燃料的航空燃料中烯烃含量低于1%，可以忽略不计；含煤直接液化航空喷气燃料的芳烃含量很低，环烷烃含量很高，当掺混比大于50%时，芳烃含量低于5%，而环烷烃高于69%，环烷烃对烟点起主要作用，随着环烷烃增加，烟点降低。当掺混比小于50%时，芳烃含量高于7%，环烷烃含量在50%左右，对烟点起主要作用的是芳烃，随着芳烃含量的增加，烟点值降低。煤直接液化航空喷气燃料变化关系与传统的3 号喷气燃料有所不同，这是因为该燃料中含大量的环烷烃，环烷烃虽然是饱和烃，但是其H/C 原子个数比相对于链烷烃较小，相对芳烃较大，燃烧时对烟点影响较大。所以对烟点的影响大小顺序为：芳烃＞环烷烃＞链烷烃，对于环烷烃含量很高的燃料，在生产炼制过程中除了加氢降低芳烃含量的同时，还需要考虑降低环状烷烃含量，从而提高烟点值，减少燃料燃烧生成积碳的倾向性。

表9 含煤直接液化航空喷气燃料的芳烃组分与烟点分析Tab.9 Smoke point and aromatic of coal-fuel

3 结论

（1）对于传统石油基3 号喷气燃料来说，随着芳烃含量的增加，烟点会降低。

（2）对于掺混生物航煤的航空燃料，当掺混70%以上生物航煤时，芳烃含量低于4%，无法检出烟点值。

（3）各烃类对烟点值的影响大小为：芳烃＞环烷烃＞链烷烃，当燃料中环烷烃含量大于69%时，环烷烃会对烟点有明显影响，含量越高，烟点越低。为了降低航空燃料燃烧积碳的倾向性，可以在炼制过程中控制航空燃料中芳烃、环烷烃和饱和烃等烃类组分比例。但是，因为组分除了会影响烟点值还会影响馏程、密度等其他性能指标，所以烃类组分含量不能超出产品标准要求范围[13-15]。